一次切變型區(qū)域短時強降水過程的特征分析

王治國，許迎杰，李華宏

(云南省氣象臺，云南 昆明 650034)

短時強降水發(fā)生在有利大尺度背景條件下，并與其中的中小尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展密切相關，具有突發(fā)性、歷時短、強度大等特點，可以在短時間內迅速形成暴洪，引發(fā)滑坡、泥石流、城市內澇等災害，常常造成重大經濟損失和人員傷亡，因此對短時強降水的監(jiān)測和預報預警一直是氣象部門的預報難點和關注重點。近年來隨著觀測數據的日益豐富和數值模式的不斷發(fā)展，氣象學者對于短時強降水的發(fā)生機理以及預報預警技術方法開展了深入的研究。楊婷等[1]、王金輝等[2]、周晉紅等[3]和李強等[4]基于高時空分辨率的多源觀測資料對不同地區(qū)短時強降水的時空分布特征和演變規(guī)律進行了統(tǒng)計分析。李博淵等[5]、尉英華等[6]和吳瑞姣等[7]針對短時強降水分別開展了ECMWF細網格模式、NCEP FNL全球分析資料和WRF模式的檢驗和解釋應用工作。周成等[8]、張萍萍等[9]和張豐偉等[10]采用ADTD型閃電定位儀、FY-3微波濕度計、激光雨滴譜等新型觀測數據為短時強降水的預報提供參考閾值。張小雯等[11]基于集合預報產品計算強對流天氣極端指數，利用極端指數和模式降水資料，使用支持向量機方法，建立了不同類型強對流天氣的客觀預報方法，為業(yè)務預報極端強對流天氣提供客觀支持產品。李建剛等[12]和卜清軍等[13]對典型的短時強降水個例進行了細致的分析研究。

云南受特殊地形地貌影響，境內的短時強降水發(fā)生頻率空間分布極不均勻[14]，由其誘發(fā)的次生災害頻發(fā)，嚴重威脅人民生命財產安全。云南的氣象學者針對短時強降水也開展了大量卓有成效的研究[15-24]，同時由于其特殊的地理位置，受到的主要影響系統(tǒng)較為復雜，每次過程的主要影響條件和發(fā)生機理都不完全一樣，必須通過大量個例進行持續(xù)而深入的研究來驗證已有結論的正確性。本文旨在通過對2015年7月22～23日切變線背景下發(fā)生在云南的區(qū)域性短時強降水過程進行診斷分析，來探討其成因，通過個例研究尋找對預報有益的思路，以期提高此類區(qū)域性強降水天氣過程的預報能力。

1 降水實況

2015年7月22日20∶00至23日20∶00，云南全省共計出現(xiàn)大暴雨5站、暴雨105站、大雨425站(圖1a)，最大降雨量出現(xiàn)在德宏州盈江縣昔馬為146.7 mm。此時段從落區(qū)上看分為3個強降雨帶，1號強雨帶出現(xiàn)大到暴雨局地大暴雨，主要位于滇西北東南部、滇中北部、滇東北南部至滇東南北部一線，呈西北—東南向分布(此強雨帶為區(qū)域短時強降水出現(xiàn)的主要區(qū)域，也是本文主要討論的區(qū)域)。2號強雨帶集中在滇西西部，范圍小，雨強強，出現(xiàn)暴雨局地大暴雨。3號強雨帶位于哀牢山東部一線，也呈西北—東南向分布，但雨強最弱，出現(xiàn)中到大雨局地暴雨。此次大雨過程中強對流天氣特征明顯，3個強降雨帶都伴隨出現(xiàn)了明顯的短時強降水和雷暴天氣，造成嚴重的城鎮(zhèn)洪澇和山洪災害。由于短時強降水分布范圍廣而且局地性差異明顯，給精準預報帶來一定的困難(圖1b)。

從逐6小時短時強降水天氣空間分布看，7月22日20∶00至23日02∶00在滇西北東南部、滇中東北部以及滇東北南部出現(xiàn)了明顯短時強降水，呈現(xiàn)西北—東南向的帶狀分布，此雨帶的降雨量極值中心昆明市石林縣三角水庫站在23日00∶00至01∶00出現(xiàn)了42.6 mm的短時強降水(圖2a)。23日02∶00至08∶00滇西北東南部和滇中東北部的短時強降水雨帶略微向南移動，滇東北南部的短時強降水雨帶消失；滇西西部和滇東南南部邊緣的短時強降水雨帶開始發(fā)展，特別是滇西西部的雨帶發(fā)展明顯，此雨帶的降雨量極值中心德宏州盈江縣昔馬站在23日06∶00至07∶00出現(xiàn)了39.4 mm的短時強降水(圖2b)。23日08∶00至14∶00滇東南南部的短時強降水雨帶開始發(fā)展，此雨帶24小時累積降水的量級基本為大雨，降雨量極值中心文山州西疇縣雞街站在23日11∶00至12∶00出現(xiàn)了26.5 mm的短時強降水(圖2c)。隨后滇東南南部的短時強降水雨帶向偏西方向移動，并向北延展，23日14∶00至20∶00落區(qū)主要位于滇中西南部、滇南南部，呈現(xiàn)西北-東南向，此雨帶的降雨量極值中心紅河州金平縣普角站在23日17∶00至19∶00連續(xù)兩小時出現(xiàn)短時強降水，雨量分別為29.5 mm和29.1 mm，此雨帶最大小時雨強出現(xiàn)在玉溪市元江縣它才吉站，23日16∶00至17∶00雨量為40.1 mm，且17∶00至18∶00接著出現(xiàn)21 mm的短時強降水(圖2d)。總體而言，分時段后的短時強降水天氣時空分布具有一定的規(guī)律性，與1號強降水帶對應的短時強降水帶最早開始發(fā)展，之后略南壓；接著是與2號強降水帶對應的短時強降水帶開始發(fā)展，且只持續(xù)了6個小時；與3號強降水帶對應的短時強降水帶開始發(fā)晚，但向西移動且范圍擴大。

2 天氣形勢分析

分析此次過程的主要影響天氣系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，500 hPa上22日08∶00位于四川東部的中緯度低槽經過12小時后(22日20∶00)，快速東移南壓到重慶東部、貴州東部至滇東南邊緣一線，雖然溫度槽落后于高度槽，但低槽位置偏東，冷平流也偏東，滇緬之間為高壓脊控制。云南受到中緯度低槽后部西北氣流和高壓脊前西北氣流的疊加控制，23日02時中緯度低槽緩慢東移，位于槽后的川東南地區(qū)由西北氣流轉為偏北氣流，滇緬高壓脊強度減弱，滇中至廣西大部轉為西南風，偏北氣流和西南氣流在黔桂交界至滇東北南部一帶形成輻合切變線，且后期該輻合線由東西向轉變?yōu)闁|北—西南向，位置少動。700 hPa上22日08∶00位于四川東部的低渦向東南方向移動，23日02∶00(圖3a)低渦中心位于重慶東南部，低渦切變線位于貴州西南部—滇東北南部—川南一線地區(qū)，呈西北—東南向，切變線后部在四川中東部有大于12 m/s的東北急流存在，有利于推動切變線向西南方向移動，切變線前部流場為滇緬脊前的西南氣流或偏西氣流，此時在滇西和滇西南地區(qū)兩股脊區(qū)繞流分別向云南輸送孟灣地區(qū)的水汽。另外在切變線前側的麗江東南部—楚雄北部—昆明—曲靖一帶有強輻合區(qū)，輻合中心位于昆明附近。23日08∶00(圖3b)低渦切變西移南壓至滇西北東部、滇中至滇東南北部一線，切變后部在重慶西南部至貴州西北部仍有東北急流存在，可繼續(xù)推動切變線向西南方向移動。此時滇緬之間氣流的西南分量減弱，基本轉為偏西氣流，水汽輸送相對減弱，輻合線附近的輻合程度也大大減弱。從23日14∶00(圖3c)至23日20∶00(圖3d)切變已經壓至哀牢山一帶，且切變前側轉為脊區(qū)控制，水汽輸送和輻合程度進一步受到抑制。

從地面上看，此次過程無明顯冷鋒系統(tǒng)影響云南，地面輻合線的移動方向和變化特征與700 hPa上切變線相似。具體分析地面輻合線的位置可以發(fā)現(xiàn)，23日02∶00輻合線位于滇東南、滇東至川南一帶，切變線位置略超前于輻合線位置(圖4a)。同時段的短時強降水落區(qū)剛好位于切變線前部一帶。此次過程滇中地區(qū)的降水極大值中心昆明市石林縣三角水庫站在23日00∶00至01∶00出現(xiàn)了42.6 mm的短時強降水。隨著輻合線和切變線的西南移，短時強降水落區(qū)也隨之向西南方向移動(圖4d)。對比短時強降水落區(qū)和地面、高空天氣形勢發(fā)現(xiàn)，此次短時強降水天氣過程關鍵由700 hPa切變線和地面輻合線共同作用形成，700 hPa切變線為短時強降水的發(fā)生發(fā)展提供了中低層水汽輻合及對流抬升運動的維持機制，地面輻合線則為低層對流發(fā)展提供了觸發(fā)機制。

3 對流云團演變情況

從過程期間的衛(wèi)星云圖觀測看，有明顯的團(塊)狀切變云系與關鍵天氣系統(tǒng)相對應，且隨著切變線系統(tǒng)的移動，團(塊)狀云系起初在切變線后部東北氣流引導下自東北向西南移動，后來轉為受切變前部西北氣流的引導，而自西北向東南移動，移動過程強度逐漸減弱，最后從滇東南移出。2015年7月22日11∶00，團狀云系A位于川東至黔北地區(qū)，在滇東北北部邊緣有點狀對流云團B發(fā)展。13∶00對流云團A向東南方向移動了大概100 km，對流云團B發(fā)展明顯，冷云罩(-32°C面積)覆蓋整個滇東北北部，另外值得關注的是對流云團B西側的川南地區(qū)和A與B之間都有新的云團C和D生成。14∶00對流云團A和D合并為對流云團E，E與B和C在發(fā)展的過程中繼續(xù)向西南方向移動。16∶00對流云團B和C的北側、西側和南側都有新的對流云團生成，且于19∶00與B、C云團合并為一南北帶狀云系F，對流云團E的南側也有新生單體，在E緩慢西南移動過程中合并入對流云團E。20∶00帶狀云系F轉為西北—東南向，位于滇西北東部，對流云團E覆蓋整個滇中至滇東南地區(qū)，此后3小時F和E在向東南移動過程中逐漸趨于合并，由于對流垂直發(fā)展非常旺盛導致云頂亮溫小于-70℃的面積明顯增大，并在23∶00達到最強盛階段。23日00∶00西北-東南向的MCC在東南移動過程中再次分裂為對流云團F和E，但兩者仍然維持一定強度，在云團的最強時段(22日20∶00～23日02∶00)對應有55個站出現(xiàn)短時強降水，且分布形態(tài)與云團一致，呈西北東—南向，最強小時雨強為永寧20∶00～21∶00的54 mm降水。23日03∶00對流云團F的-70℃的面積明顯減小，對流云團E的-70℃的面積也有所減小，此后在共同東南移過程中，兩者強度明顯減弱。23日08∶00對流云團F位于滇東南西北部，對流云團E位于滇東南東南部，在23日02∶00～08∶00時段內，短時強降水落區(qū)略向西南移動，仍然維持西北—東南向，此時段僅29站出現(xiàn)短時強降水，最強小時雨強為宜良站07∶00～08∶00的38.8 mm降水。

23日12∶00對流云團E先分裂再合并發(fā)展，14∶00位于滇東南南部，此時段短時強降水強度和范圍都明顯減弱，在滇東南南部僅有5站出現(xiàn)短時強降水，最大小時雨強26.5 mm。23日16∶00在哀牢山西側有新的云團生成，在東南移動過程中與對流云團E趨于合并增強，此時段的短時強降水位于哀牢山沿線，站數增加到29站，最大時雨強為41.8 mm。

對比短時強降水落區(qū)、發(fā)生時段與對流云團分布、演變情況發(fā)現(xiàn)，切變云系上中尺度對流云團的發(fā)展才是導致短時強降水的關鍵因素。短時強降水主要出現(xiàn)在對流云團中云頂亮溫小于-60℃的冷云區(qū)范圍和亮溫梯度的大值區(qū)，它們之間有較好的對應關系。對流云團的空間尺度和持續(xù)時間對短時強降水的分布區(qū)域和強度也有較好的指示意義，過程前期由于孟加拉灣地區(qū)的水汽輸送和切變線附近強的輻合，使得切變線附近的對流云團發(fā)展最為旺盛，空間尺度大、持續(xù)時間長，則對應時段的短時強降水頻次多，到了過程后期(23日08時開始)隨著孟加拉灣水汽輸送的減弱和切變線附近輻合程度的減弱，對流云團開始明顯減弱，則短時強降水的頻次也明顯減少。

4 地閃時空分布情況

圖6給出了此次過程中逐6小時地閃頻次空間分布，從圖上可以看出2015年7月22日20∶00至23日02∶00為地閃高發(fā)期，滇西北東部、滇中、滇東南東部邊緣出現(xiàn)了大范圍、高密度的閃電，且負閃出現(xiàn)次數(3 197次)是正閃的(22次)14倍左右。到了23日02∶00至08∶00，閃電范圍有所收縮，位置略向西南移動，密度明顯減弱，正負閃僅有490次。23日08∶00至14∶00閃電發(fā)生的頻次和范圍都明顯減小，僅出現(xiàn)在滇東南南部邊緣地區(qū)。23日14∶00至20∶00閃電范圍向西擴展，頻次和范圍都較上一時段有所增加?？傮w上閃電落區(qū)分布與切變線移動的趨勢相對應。對比過程期間的地閃和短時強降水落區(qū)分布可以看出，短時強降水的落區(qū)、頻次與地閃的落區(qū)分布、密集程度有較好的對應關系。具體從出現(xiàn)短時強降水的109個觀測站逐時降水與其周圍20 km范圍內逐時地閃對比可以看出，地閃峰值較降水峰值提前1～3 h出現(xiàn)共計有7站。地閃峰值與降水峰值相對應，其中地閃數量在短時強降水發(fā)生前1～4 h出現(xiàn)增量(從無到有)共計有55站，例如從楚雄州永仁縣永興站逐時降水量和地閃數量分布圖(圖7)可以看出，在22日23∶00至23日00∶00期間地閃數量有明顯躍增，小時地閃次數從0次增加到169次，23日00∶00至01∶00期間出現(xiàn)的地閃峰值(406次)與短時強降水峰值(32.9 mm)相對應，但地閃次數增加的時間要早于短時強降水出現(xiàn)的時間約1小時左右；16站地閃數量在短時強降水發(fā)生前無增量。地閃峰值較降水峰值滯后1～3 h共計有9站，其中6站降水峰值出現(xiàn)前1～3 h有地閃增量出現(xiàn)。無地閃與小時降水峰值對應或兩者無明顯關系共計22站。綜合看，共計有68站(62.39%)在短時強降水發(fā)生前有地閃增量出現(xiàn)，因此地閃數量開始增加對于短時強降水的精細化預報預警具有一定的指示意義。

圖7 2015年07月22日20時～23日20時永興站逐時降雨量和地閃頻次分布Fig.7 Hourly rainfall and ground lighting frequency distribution at Yongxing station from 20∶00 BT 22 to 20∶00 BT 23 July 2015

5 雷達回波特征

分析過程期間的雷達回波空間分布發(fā)現(xiàn)，過程開始時(22日20∶00)在昆明雷達站東北方向距離雷達90～100 km附近處有一西北—東南向的帶狀回波，回波結構相對比較緊密，徑向速度上看有中尺度輻合區(qū)，回波位置與700 hPa切變線位置對應較好。過程期間，該帶狀回波沿著西北引導氣流向東南方向緩慢移動過程中，在其西南側不斷有新生單體生成合并，雷達回波覆蓋范圍不斷擴大，且漸漸靠近雷達站，另外該帶狀回波具有后向傳播特征，從滇西北東部不斷有回波并入該帶狀回波，共同向東南方向移動時對短時強降水區(qū)域形成列車效應，有利于降水時間的持續(xù)。從回波特征看，過程期間主要為層積混合云回波，短時強降水則主要出現(xiàn)在積云回波中。

此次過程中，1號強雨帶最大降雨量出現(xiàn)在昆明市石林縣三角水庫，而且在23日00∶00至01∶00出現(xiàn)了42.6 mm的短時強降水，因此選用覆蓋該站的昆明雷達觀測資料進行降雨特征分析。圖8給出了2015年7月23日00∶48昆明雷達觀測情況，從回波反射率分布可以看出此時在三角水庫站附近有一條團狀回波發(fā)展(圖8a)，回波最大值反射率因子強度達到45 dBz，回波反射率因子水平梯度較大，呈現(xiàn)明顯的積云回波特征，對應時段的短時強降水就是出現(xiàn)在這一團狀強回波區(qū)域。從三角水庫站東西方向的回波剖面圖上可以看出(圖8c)，此時該站上空的對流發(fā)展非常旺盛，回波頂高超過12 km，大于45 dBz的回波大值區(qū)處于6 km附近，該站出現(xiàn)短時強降水天氣時雷達回波反射率因子低質心的特征非常明顯。從對應時次的徑向速度圖上可以看出，三角水庫站附近都為正速度區(qū)，但離雷達近的正速度明顯大于離雷達遠的正速度，具有明顯的中尺度輻合特征，有利于增強該區(qū)域的對流強度，導致局地性強降雨的發(fā)生(圖8b)。由于雷達觀測具有較高的時空分辨率，在有利的天氣形勢背景下，通過跟蹤強回波區(qū)及徑向速度輻合區(qū)的發(fā)展情況及移動趨勢，有助于進一步細化短時強降水天氣的落區(qū)和發(fā)生時段。

6 結論

此次過程期間短時強降水天氣分布范圍廣、頻次大，落區(qū)分布呈現(xiàn)自東北向西南逐漸移動趨勢，同一區(qū)域強降水時段相對集中，系統(tǒng)性降水特征明顯。

700 hPa切變線和地面輻合線是此次過程的關鍵影響系統(tǒng)，切變線前側滇緬脊區(qū)的繞流為短時強降水天氣提供必要的水汽輸送，而切變線為短時強降水的發(fā)生發(fā)展提供了中低層水汽輻合及對流抬升運動的維持機制，地面輻合線則為低層對流發(fā)展提供了觸發(fā)機制。

過程期間有明顯的帶狀切變云系發(fā)展，開始呈現(xiàn)自東北向西南移動的趨勢，后來轉變?yōu)樽晕鞅毕驏|南移動的趨勢，切變云系上不斷有中尺度對流云團生成和消亡，短時強降水則主要出現(xiàn)在云頂亮溫小于-60℃的區(qū)域和亮溫梯度的大值區(qū)。中尺度對流云團的空間尺度、持續(xù)時間對短時強降水的分布區(qū)域、強度有很好的指示意義。

此次過程伴隨出現(xiàn)了明顯的雷暴天氣，地閃的落區(qū)分布、密集程度與短時強降水的落區(qū)、頻次有較好的對應關系，且地閃數量開始增加的時間要早于短時強降水發(fā)生的時間。

從雷達回波特征看，短時強降水天氣主要出現(xiàn)在積云回波中反射率因子大值區(qū)。此次過程中，三角水庫站附近的回波強度達到45 dBz并具明顯低質心特征，而且徑向速度圖上有明顯的中尺度輻合配合。